針對鉆井套管剪切破壞問題,基于煤層開采的上覆巖層移動規(guī)律,采用ANSYS數(shù)值模擬軟件建立鉆井套管剪切變形的有限元模型,模擬分析了不同的巖層傾角對鉆井套管剪切變形區(qū)域應(yīng)力分布的影響。研究結(jié)果顯示:套管發(fā)生剪切變形后,剪切面由原始的圓形變?yōu)闄E圓形,且橢圓長軸端點區(qū)為剪應(yīng)力的應(yīng)力集中區(qū);巖層傾角增大會造成套管剪應(yīng)力的應(yīng)力集中區(qū)面積增大,且應(yīng)力集中區(qū)最大剪應(yīng)力也在逐漸增大。 

【文章來源】：煤礦安全. 2020,51(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：4 頁

【部分圖文】：

巖層與套管的有限元模型

數(shù)值計算模型邊界條件示意圖如圖2，具體為：(1)巖層底部為固定約束；(2)下部巖層四周承受水平應(yīng)力σh;(3)上部巖層前后2個面承受水平應(yīng)力σh，左右2個面為位移約束，水平位移約束值為s;(4)上部巖層表面受到垂直應(yīng)力σv;(5)套管下部表面固定約束，上部表面受向上的拉力。當(dāng)煤層厚度m和采深H相同時，采空區(qū)頂板上部巖層最大水平位移值與煤層傾角θ呈正相關(guān)，即煤層傾角θ越大，最大水平位移值越大[11-12]。因此設(shè)定巖層傾角θ分別為0°、10°、20°、30°的模型中，左右2個面的水平位移約束值s分別設(shè)定為35、70、105、140 mm。此外，假設(shè)模擬的套管位于地表以下300 m的位置，假設(shè)上覆巖層平均密度為2.5 t/m3，則根據(jù)地應(yīng)力計算公式可得到垂直應(yīng)力σv=7 500 kPa，水平應(yīng)力σh=3 530 kPa[13]。巖層與巖層之間、巖層與套管之間均設(shè)置摩擦接觸，摩擦系數(shù)均為0.15，接觸面算法采用增廣lagrange算法。

不同傾角下套管剪切變形區(qū)應(yīng)力分布如圖3。從圖3可知：隨著巖層傾角增大，套管剪切面區(qū)域的Mises應(yīng)力越大，且高應(yīng)力區(qū)范圍逐漸擴大，并出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。剪切面區(qū)域可劃分為應(yīng)力集中區(qū)A、應(yīng)力集中區(qū)B和應(yīng)力集中區(qū)C；當(dāng)應(yīng)力集中區(qū)A和B連通后，形成了應(yīng)力集中帶；當(dāng)應(yīng)力集中帶的應(yīng)力全部達到極限應(yīng)力時，套管將在斷裂面處發(fā)生斷裂。不同傾角下套管剪切變形區(qū)最大等效應(yīng)力變化如圖4。從圖4可知：巖層傾角與套管變形區(qū)最大主應(yīng)力近似呈正線性相關(guān)，尤其是當(dāng)巖層傾角為30°時，其套管剪切變區(qū)最大主應(yīng)力達到了663.9 MPa，即將達到套管的極限強度689 MPa。由此可知，在相同的條件下，巖層傾角增大會提高套管的剪切破壞概率，嚴(yán)重影響瓦斯抽采鉆井的穩(wěn)定性。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基巖裸露山區(qū)煤層傾角對地表移動規(guī)律的影響研究[J]. 王啟春,李天和,郭廣禮.  煤炭科學(xué)技術(shù). 2016(09)
[2]地面瓦斯抽采鉆井變形破壞主控因素分析[J]. 張軍.  煤礦安全. 2012(12)
[3]地面鉆井套管耦合變形作用機理[J]. 孫海濤,鄭穎人,胡千庭,林府進.  煤炭學(xué)報. 2011(05)
[4]地面鉆井剪切變形破壞模型及其空間規(guī)律分析[J]. 孫海濤,林府進,張軍.  采礦與安全工程學(xué)報. 2011(01)
[5]地面瓦斯抽采鉆孔變形破壞影響因素及防治措施分析[J]. 孫海濤,張艷.  礦業(yè)安全與環(huán)保. 2010(02)
[6]巖層移動對瓦斯抽放鉆孔的破壞研究[J]. 沈健,金洪偉,許家林.  煤礦安全. 2010(03)
[7]中國煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展[J]. 程遠平,付建華,俞啟香.  采礦與安全工程學(xué)報. 2009(02)

博士論文
[1]采動影響下地面鉆井的變形破壞機理研究[D]. 孫海濤.重慶大學(xué) 2008

碩士論文
[1]地表移動變形隨煤層傾角及地表坡度變化規(guī)律的數(shù)值模擬分析[D]. 靳飛.太原理工大學(xué) 2016
[2]寺河礦W2301工作面多巷掘進工藝優(yōu)化設(shè)計研究[D]. 李忠曉.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 2012



本文編號：3632874